通信原理第4章 信道

第三章信道(Channel)主要內(nèi)容：

信道的定義信道的數(shù)學(xué)模型恒參信道與隨參信道的傳輸特性信道加性噪聲的統(tǒng)計特性信道容量的計算重點：

信道中輸入與輸出的關(guān)系幅頻曲線、相頻曲線含義幅度頻率畸變、相位頻率畸變多徑效應(yīng)及噪聲特性信道容量.廣義信道：包括信號的各種變換裝置和傳輸媒介的信道信道:信號的傳輸通道

狹義信道：僅包含信號的傳輸媒介，有無線和有線兩大類..4.3信道數(shù)學(xué)模型4.1無線信道

4.5信道的加性噪聲

4.4信道特性對信號傳輸?shù)挠绊?.2有線信道4.6信道容量

典型例題.無線信道電磁波的頻率－受天線尺寸限制地球大氣層的結(jié)構(gòu)對流層：地面上0~10km平流層：約10～60km電離層：約60～400km4.1無線信道

地面對流層平流層電離層10km60km0km.電磁波的分類：地波（頻率<2MHz）天波（頻率：2~30MHz）視線傳播（頻率>30MHz）.

4.1.1短波電離層反射信道波長為100～10m,頻率為3～30MHZ的無線電波1）

傳播路徑信號的傳播路徑圖利用離地面60～600KM的電離層反射信號。電離層分為D、E、F1、F2四層，其中D、F1

夜間消失

2）工作頻率更高的頻率信號將穿透電離層.3）多徑傳播(MultiplePathTransfer)

原因:

電波經(jīng)電離層一次反射或多次反射；幾個反射層高度不同；電離層不均勻引起的漫射(diffusion)；磁場影響，使電磁波來分裂成尋常波，非尋常波。4）應(yīng)用優(yōu)點：功率小，距離遠，地形隨意，合適的頻寬，保密；缺點：可靠性差，工作頻率變，多徑失真，干擾大。.

通信距離最大為8000Km，隨高度增加而減小，影響電波彎曲折射回地面

F2地面反射點二次反射一次反射信號的傳播路徑圖.

4.1.2對流層散射信道

傳播距離約100～500km

利用離地面10～12km以下的大氣對流層，對流層中大氣湍流運動產(chǎn)生不均勻性，引起電波的散射，可提供12～240頻分復(fù)用話路，可靠性99.9%。對流層散射傳播路徑的示意圖2、傳播損耗1）自由空間能量擴散損耗

2）散射損耗

主要特征：1、衰落1）慢衰落：氣象引起。每季月、日信號強度變化

2）快衰落:多徑傳播。使信號的幅度和相位快速隨機變化其克服方法：分集接收。.4、天線與媒介間的耦合損耗

——天線增益虧損：理論增益與實際增益之差5、應(yīng)用

干線通信

點對點通信例子3、信道允許頻帶：最大多徑時延差.對流層散射路徑示意圖.4.1.4衛(wèi)星中繼(SatelliteRelay)無線電中繼的特殊形式——同步衛(wèi)星為中繼站傳輸容量大、發(fā)射功率小，通信穩(wěn)定可靠。用于多路電話及電視地球地面站地球地面站4.1.3無線電視距中繼

工作頻率：超短波和微波，沿視線傳輸，依靠中繼方式.

例子：發(fā)信號：即：發(fā)信號在時間軸上被展寬。（多徑時散）這種失真類似于該信號通過濾波器后的失真?！嘈诺揽煽闯墒且粋€帶限濾波器(filter)。接收信號：受多徑傳播的影響變?yōu)椋航邮招盘?4.2有線信道4.2.1、有線電信道表3-1三種有線電信道的性能明線:傳輸損耗低。易受天氣和氣候影響，對外界噪聲敏感對稱電纜:傳輸損耗比明線大的多，傳輸特性比較穩(wěn)定同軸電纜：外導(dǎo)體屏蔽，特性穩(wěn)定4.2.2、光纖信道以光纖為傳輸媒介，光波為載波?？商峁O大容量光纖信道一般組成.0.3~2.70.3~15012~10812~25260~130060~4100300~9000300~12000300~600001+31+3+1224603009601800270010800

架空明線架空明線對稱電纜對稱電纜小同軸電纜小同軸電纜中同軸電纜中同軸電纜中同軸電纜30080~1203512~188464.51.5增音段長度

(km)頻率范圍

(kHZ)

通話路數(shù)

線路類型

三種有線電信道的性能.光源光調(diào)制器光纖線路光探測器基帶處理基帶處理已調(diào)光信號已調(diào)電信號解調(diào)電信號基帶電信號基帶電信號光源：LED或LD光源光纖線路：一根或多根光纖光探測器：PIN光電二極管或雪崩光電二極管（APD）中繼器：直接中繼器和間接中繼器.

4.3信道模型

根據(jù)研究的對象和關(guān)心的問題來定義信道的范疇編碼信道EncodingChannel調(diào)制信道ModulationChannel廣義信道

發(fā)轉(zhuǎn)換器

媒質(zhì)

收轉(zhuǎn)換器

解調(diào)器

譯碼器

編碼器

調(diào)制信道編碼信道

調(diào)制器.4.3.1調(diào)制信道模型（連續(xù)系統(tǒng)）共性:1)有一對(或多對)輸入、輸出端

2)線性的滿足疊加原理

3)對信號有延遲，損耗、衰減

4)

無信號輸入時，仍有功率輸出（噪聲）

發(fā)轉(zhuǎn)換器

媒質(zhì)

收轉(zhuǎn)換器

解調(diào)器

調(diào)制信道

調(diào)制器.或

時變線性網(wǎng)絡(luò)如果網(wǎng)絡(luò)的函數(shù)變換關(guān)系定義為注：

乘性干擾。恒參信道：=

常數(shù)隨參信道：常數(shù)

加性干擾。則有時變線性網(wǎng)絡(luò)根據(jù)上述共性，我們可用一個二對端(或多對端)的時變線性網(wǎng)絡(luò)來表示調(diào)制信道——調(diào)制信道模型網(wǎng)絡(luò)的輸入與輸出之間的關(guān)系可表示為：.4.3.2編碼信道模型（離散系統(tǒng)）信道對信號的影響是序列變換,信道的失真以誤碼率體現(xiàn)

發(fā)轉(zhuǎn)換器

媒質(zhì)

收轉(zhuǎn)換器

解調(diào)器

譯碼器

編碼器

調(diào)制信道編碼信道

調(diào)制器.例如:

二進制數(shù)字傳輸?shù)木幋a信道令碼元發(fā)生錯誤相互獨立,即信道無記憶

信道性能：用轉(zhuǎn)移概率描述

P(0/0)=1-P(1/0)P(0/0),P(1/1)為正確轉(zhuǎn)移概率

P(1/1)=1-P(0/1)P(1/0),P(0/1)為錯誤轉(zhuǎn)移概率轉(zhuǎn)移概率完全由編碼信道所決定。需用大量的統(tǒng)計分析得到四進制:編碼信道模型可用數(shù)字的轉(zhuǎn)移概率來描述.恒參信道可等效為線性時不變網(wǎng)絡(luò)，只要得到網(wǎng)絡(luò)的傳輸特性，就可知信道對信號的影響網(wǎng)絡(luò)的傳輸特性用幅頻函數(shù)(amplitude-frequencyfunction)、相頻函數(shù)(phase-frequencyfunction)描述4.4信道特性及對信號傳輸?shù)挠绊?/p>

4.4.1.1幅度-頻率畸變----傳輸特性的不均勻衰耗(decline)引起已調(diào)信號中各頻率分量通過信道時帶來不同衰減（或增益）造成輸出信號的失真——頻率失真(distortion)

理想無失真?zhèn)鬏斝诺?，其傳函?yīng)滿足：

典型音頻信道幅度－頻率特性曲線K:傳輸系數(shù):延遲時間4.4.1恒參信道特性及對信號傳輸?shù)挠绊?衰減/dBf/(kHz)H(f)改善措施：改善濾波性能，增加均衡器(equalizer)、線性補償網(wǎng)絡(luò)音頻電話信道的幅度－頻率特性.4.4.1.2相位-頻率畸變網(wǎng)絡(luò)的相頻特性非線性（來源于阻抗性元件）所引起的畸變。主要影響數(shù)字信號,引起嚴重的碼間串擾

設(shè)相頻特性為相位—頻率特性理想時：群遲延—頻率特性

定義：群遲延頻率特性

實際中：群遲延不為常數(shù)。不同的頻率的信號經(jīng)過信道傳輸后，到達輸出端的相對時間不一致。群遲延產(chǎn)生信號畸變示意圖.群遲延產(chǎn)生信號畸變示意圖接收端信號：

三次諧波基波合成波三次諧波基波合成波發(fā)送端信號：.4.4.2隨參信道特性及對信號傳輸?shù)挠绊?/p>

隨參信道的三個特點：1）衰耗隨時間而變；

2）時延隨時間而變；

3）多徑傳播。隨機信號的統(tǒng)計特性用它的概率分布或數(shù)學(xué)特征表述4.4.2.1接收信號的描述設(shè)發(fā)射信號為則接收信號為第i條路徑的接收信號振幅第i條路徑的傳輸時延包絡(luò)相位.2）多徑傳播使變成包絡(luò)和相位受到調(diào)制的窄帶信號

3）多徑傳播引起了頻率彌散(頻率展寬)。R(t)稱為衰落信號或均為緩慢變化的隨機過程0V(t)R(t)結(jié)論：1）是窄帶過程.2、多徑傳播設(shè)多徑傳播最大相對時延差為1、以兩徑傳播模型為例

框圖及公式推導(dǎo)定義：為相鄰傳輸零點的頻率間隔。分析模型的傳輸特性4.4.2.2的頻率選擇性衰落討論模特性看成兩個網(wǎng)絡(luò)級聯(lián)

則為信道帶寬結(jié)論：傳輸信號帶寬<一般工程上：信號帶寬.∴兩徑傳播的模特性取決討論：模特性處為零點說明：信號頻率不同時受到的衰減不一樣，且衰減量與有關(guān)。的值隨日常時間而變化作圖：處為極點.此模型傳輸特性的公式推導(dǎo)

模型的傳輸特性為兩徑傳播模型：兩條路徑信號的相對時延差.4.5信道的加性噪聲加性噪聲:1)人為噪聲

2)自然噪聲

3)內(nèi)部噪聲

隨機噪聲1)單頻噪聲:連續(xù)波干擾，可視為已調(diào)正弦波。占極窄頻帶2)脈沖噪聲：時間上無規(guī)則地突發(fā)的短促噪聲。脈沖噪聲幅度大，持續(xù)時間短，頻譜寬，頻率越高，頻譜強度越小3)起伏噪聲:熱噪聲、散彈噪聲、宇宙噪聲。普遍存在，不可避免——影響通信的主要因素。.1、熱噪聲電子隨機運動產(chǎn)生的交流成分，服從高斯分布2、散彈噪聲真空電子管和半導(dǎo)體器件中電子發(fā)射的不均勻引起的，高斯隨機過程3、宇宙噪聲天體輻射波對接收機形成的噪聲結(jié)論：三種噪聲均可認為是一種高斯噪聲，在相當寬的頻率范圍內(nèi)具有平坦的功率譜密度?！咚拱自肼?/p>

起伏噪聲.從調(diào)制信道角度看——帶通型噪聲接收轉(zhuǎn)換器——帶通濾波器(BPF:BandPassFilter)∴輸出為窄帶高斯噪聲設(shè)帶通型噪聲的功率譜密度如圖示，可由高斯白噪聲通過一個帶通濾波器得到。-f0f00等效噪聲帶寬對帶寬為的窄帶高斯噪聲，可以認為它的功率譜密度在帶寬內(nèi)是平坦的。.4.6信道容量(channelcapacity)4.6.1離散信道的信道容量

設(shè)輸入為，輸出為取統(tǒng)計平均，

——表示發(fā)送的每個符號的平均信息量

——表示發(fā)送符號在有噪信道中傳輸平均丟失的信息

量，或當輸出符號已知時輸入符號的平均信息量.

信息傳輸速率：信道在單位時間內(nèi)所傳輸?shù)钠骄畔⒘?/p>

：信息源的信息速率

：單位時間內(nèi)對發(fā)送x而收到y(tǒng)的條件平均信息量設(shè)單位時間傳送的符號數(shù)為r,則

無噪聲時，信道不存在不確定性，H(x/y)=0

這時噪聲很大時,則R0

信道容量C:信道傳輸信息的速率R的最大值.解：信息源的平均信息量為：

則信息源發(fā)送信息的速率為接收端的條件平均信息量由于信道不可靠性在單位時間內(nèi)丟失的信息量為信道傳輸信息的速率例：設(shè)信息源由符號0和1組成，如果消息傳輸速率是每秒1000符號，且兩符號出現(xiàn)概率相等。在傳輸中弱干擾引起的差錯是：平均每100個符號中有一個不正確，信道模型如圖示。求傳輸信息的速率。0.990.990.010.01.4.6.2連續(xù)信道的信道容量C——信道容量S——信號平均功率N——噪聲平均功率B——信道帶寬香農(nóng)公式：結(jié)論：（1）對給定B、S/N，信道的極限傳輸能力（信道容量）C即確定。

R<=C可做到無差錯傳輸

R>C無差錯傳輸理論上不可能

（2）信道容量C一定時，帶寬B和信噪比S/N之間可互換

.（3）增大信道帶寬B并不能無限制地增大信道容量

證明：若噪聲單邊功率譜密度為n0,則噪聲功率N＝n0B

（4）信道容量C是信道傳輸?shù)臉O限速率時，由于

可見，給定I和S/N的情況下，帶寬和時間也可以互換.典型例題

例1設(shè)某恒參信道的幅頻特性為，其中，td為常數(shù)。試確定信號s(t)通過該信道后的輸出信號表達式，并討論之。輸出信號討論：此信道幅頻特性相頻特性為

有幅頻失真，相頻特性與成線性關(guān)系，

無相頻失真，所以輸出信號的失真是由信道的幅